全球能源互联网背景下的环境效益评估

赵秋莉,冯君淑,金艳鸣,王晓晨,谭雪  

国网能源研究院有限公司 北京市 昌平区 102209;国家电网公司能源电力规划研究实验室 北京市 昌平区 102209

摘要

全球能源互联网可以实现资源的综合优化配置,为全球生态环境带来巨大的正向效益。为了定量评估全球能源互联网带来的环境效益,在全球能源互联构想下,设置全球电力发展的自平衡情景和联网情景,通过建立全球能源互联网环境效益指标体系,定量评估联网所带来的资源节约、常规污染物减排、应对气候变化等方面的效益。计算结果表明,全球能源互联网不仅能够带来巨大的资源节约效益和常规污染物减排效益,还能缓解全球气候变化,有助于实现2℃温控的目标。

关键词 : 全球能源互联网;环境效益;气候变化

国家电网公司科技项目“全球能源互联网综合效益评估”(SGERI01KJ(2015)75)和国家自然科学基金项目“全球价值链视角下的国内区域分工与市场一体化研究”(71733003)。

0 引言

当前全球能源发展正面临资源紧缺、环境污染、温室气体减排等严峻挑战,建立在传统化石能源基础上的能源发展方式难以为继。推动以清洁能源为主的能源系统,特别是电力系统重大变革将成为全球能源发展的大趋势[1]。全球能源互联网是以特高压电网为骨干网架(通道),以输送清洁能源为主导,全球互联泛在的坚强智能电网[2]。构建全球能源互联网,形成以清洁能源为主导、以电为中心、全球配置资源的能源发展新格局,为推动世界能源安全、清洁、高效、可持续发展提供了新的解决方案[2]

当前学者对全球能源互联网的关键技术、运行机制、政策保障体系等内容已进行了相关研究,但对效益评估方面的研究较少。文献[3]基于压力—状态—响应模型构建了全球能源互联网社会效益的评价体系,利用中国智能电网建设数据测评了能源互联网建设通过清洁替代、电网优化和电能替代三个渠道对社会效益的影响。文献[4]分析了构建全球能源互联网的必要性,定性分析了全球能源互联网对自然环境、公众生活和社会变革等的影响。

全球能源互联网通过充分利用各洲之间的资源互补、负荷互补和季节互补等特性,可以显著提高清洁能源利用占比,进而产生一系列环境效益,但是目前系统性定量评估全球能源互联网环境效益的研究还比较缺乏。本文针对全球能源互联网构想,建立了自平衡情景和联网情景,通过对两个情景的对比,定性分析了建设全球能源互联网对资源消耗、污染物排放和气候变化的影响并构建了环境效益评估指标体系,之后分模块构建环境效益评估模型,并对全球能源互联网背景下的环境效益进行定量评估。

图1 2050年全球能源互联网发展示意图
Fig. 1 Development of global energy interconnection in 2050

1 全球能源互联构想及情景设置

本研究假设2050年前后,非洲—欧洲、亚洲—欧洲、亚洲—非洲、北美洲—南美洲、大洋洲—亚洲、亚洲—北美洲、欧洲—北美洲可以实现联网,具体联网示意图如图1所示。

考虑不同清洁能源发展目标、洲际之间是否互联等边界条件,本文构建自平衡情景与全球联网情景两个情景,两个情景下的各大洲装机结构如表1所示。自平衡情景是指各国兑现自主减排贡献承诺、实现可再生能源发展目标,2050年全球清洁能源占一次能源的比重将较2010年水平翻一番;各洲主要是依靠自身能源资源,实现电力供需平衡以及减排目标,洲际之间不联网。全球联网情景是指实现高比例清洁能源开发,促进全球能源转型,新兴经济体和其他主要发展中国家碳减排的力度更大;全球清洁能源占一次能源的比重更高,2050年实现全球跨洲联网。自平衡情景和联网情景下全球电源装机结构和电力需求如表1所示。

表1 全球电源装机结构对比
Table 1 Comparison of global power generation structure

2 环境效益评估指标

全球能源互联网可以通过能源的跨洲输送,实现资源的综合优化配置,联网后随着“一极一道1 北极圈及其周边地区(“一极”)风能资源和赤道及附近地区(“一道”)太阳能资源十分丰富,简称“一极一道”。”风能和太阳能资源的充分开发利用,全球以风电和太阳能发电量为主的清洁能源发电比重将会上升,化石能源发电量占比将会下降,会产生以下三方面环境效益:第一,可减少对化石能源、水资源和高附加值土地资源的消耗;第二,可降低SO2、NOx和细颗粒物等常规污染物的排放;第三,可减少温室气体排放,推动全球2 ℃温升控制目标的实现。据此,本研究设计了包括3类一级指标、8个二级指标的环境效益评价指标体系,如图2所示。

图2 环境效益评价指标体系
Fig. 2 Evaluation index system of environmental benefit

3 研究方法

本研究构建的全球能源互联网环境效益评估方法体系主要包括资源节约评估模块、常规污染物减排评估模块以及气候变化评估模块。其中,资源节约模块、常规污染物减排模块和气候变化模块中的温室气体排放量部分主要是基于各类型发电技术全生命周期消耗/排放因子进行测算,气候变化模块中的气候变化影响部分则采用MAGICC(model for the assessment of greenhouse-gas induced climate change)模型进行模拟。

3.1 资源节约模块

全球或某个洲的发电环节化石能源消耗量Fi使用下列公式计算:

全球或某个洲的电力发展水资源消耗量Wi使用下列公式计算:

全球或某个洲的电力发展的土地占用面积Li使用下列公式计算:

由于各大洲的土地价值具有明显差别,因此引入土地价值参数l_v,使用区域GDP与区域土地面积之比简化计算,全球或某个洲电力发展的土地占用价值L_vi,公式如下:

其中,i表示各个大洲的编号,j表示不同发电技术的编号,分别表示第i个大洲规划期内的煤电、气电的发电量(单位:kWh)分别表示第i个大洲的火电机组和气电机组平均供电标准煤耗率(单位:g/kWh),表示规划期第j种发电技术的发电量,waterjlandj分别表示第j种发电技术的水资源消耗系数和土地占用系数,l_vi表示第i个大洲的土地价值,可以使用各洲GDP与土地面积之比进行计算。

3.2 常规污染物减排模块

全球或某个洲二氧化硫排放量Si使用下列公式计算:

全球或某个洲氮氧化物排放量Ni使用下列公式计算:

全球或某个洲一次颗粒物排放量PMi使用下列公式计算:

其中,V表示原煤烟气排放水平,一般取9.93m3/kg标煤[6];0.714为原煤和标煤的换算系数,λi,SO2λi,NOxλi,PM分别表示第i个大洲单位体积烟气中SO2、NOx和一次颗粒物的含量(单位:mg/m3)。

3.3 气候变化模块

选取各种发电技术的全生命周期全谱排放因子来间接估算每种发电技术的人为温室气体排放量(主要是工业排放,不包括土地使用排放等),并以CO2当量来度量。若Ej为发电能源消费总量,Sj为技术j的消费份额,emfj为相应的生命周期全谱排放因子,则总的温室气体排放(EGHG)估算为:

其中,各类发电能源的全生命周期全谱排放因子见参考文献[7][8]。

MAGICC 模型是一个连接了大气循环、气候模块和冰融模块的气候变化评估模型,是最早被IPCC用来预测未来气候变化和海平面上升情况的模型之一。MAGICC模型中的气候模型是一个扩散能量平衡模型,气候模型与一系列气体循环模型交互耦合,可以预测温室气体的浓度,并模拟未来全球温度变化[9]

4 模型计算结果与讨论

4.1 资源节约效益

根据公式(1)~(3),计算得到全球和各大洲2016~2050年自平衡情景和联网情景下的累计资源消耗量,如表2所示。从化石能源节约效益来看,联网情景下,截止到2050年,全球可累计节约化石能源达301 亿t标煤,其中节煤效益最为显著的主要有亚洲、北美洲、非洲和欧洲,分别累计节约化石能源资源达152 亿t标煤、72 亿t标煤、41 亿t标煤和24 亿t标煤。综合来看,这4个洲节煤效益较为显著的原因主要在于亚洲地区受入非洲和大洋洲可再生能源电力,且整体发电量规模较大;北美洲和欧洲作为电力受端,外来可再生能源电力替代本区化石能源发电;非洲虽然是电力送端,但是自身太阳能资源十分丰富,太阳能发电大量替代化石能源发电。

从水资源节约效益来看,联网情景下,截止到2050年,全球可累计节约水资源量达3015 亿t,其中节水效益最为显著的主要是北美洲,累计节约水资源消耗量达9581 亿t。联网情景下,北美洲与南美洲气候和季节差异使得两地区负荷互补性较强,北美洲与亚洲时差互补益于降低日负荷峰谷差,北美洲与欧洲联网接受格陵兰岛风电基地大量风电,这些因素促使北美洲2050年煤电、气电和核电发电量降低,风电和太阳能发电量升高,所以累计节水效益较强。亚洲地区联网情景较自平衡情景多消耗22257 亿t水资源,主要是因为亚洲地区联网情景下核电发电量显著增加,核电作为耗水大户,整体增加了联网情景下亚洲地区发电耗水量。

从消耗的土地面积来看,2050年联网情景较自平衡情景累计多消耗土地资源约916 亿平方米。考虑到各大洲土地价值不同,欧洲和北美洲土地价值较高,非洲土地价值较低,根据公式(4)计算得到联网情景下,全球可累计节约约1624 亿美元。

表2 2050年两情景资源累计消耗量比较
Table 2 Comparison of cumulative consumption of two scenarios in 2050

4.2 常规污染物减排效益

根据公式(5)~(7),计算得到自平衡情景和联网情景下全球和各大洲SO2、NOx和细颗粒物的排放量。截止到2050年,联网情景较自平衡情景累计减少SO2排放量775 万t,累计减少NOx排放量1448 亿t,累计减少细颗粒物排放量90 亿t。

2016~2050年各大洲常规污染物累计减排量和减排百分比如图3所示。截止到2050年,各常规污染物减排量较大的地区主要有亚洲、北美洲和非洲,减排百分比较大的地区主要有非洲、南美洲和北美洲。亚洲整体发电量规模较大,联网情景下2016~2050年煤电和气电累计发电量较自平衡情景减少681390 亿kWh,SO2、NOx和细颗粒物排放量较自平衡情景分别减少419 万t、755 万t和52 万t。非洲作为电力送端,境内太阳能资源非常丰富,联网情景下2016~2050年煤电和气电累计发电量较自平衡情景减少168416 亿kWh,太阳能发电量增加657888 亿kWh,SO2、NOx和细颗粒物排放量较自主减排情景减少105 万t、197 万t和12 万t,减排百分比分别达到38%、48%和27%。

图3 2016~2050年各大洲常规污染物累计减排情况
Fig. 3 Cumulative emission reduction of conventional pollutants in six continents from 2016 to 2050

4.3 温室气体减排效益

基于公式(8),测算出全球能源行业逐年温室气体排放量如图4所示。2030年之前,自平衡情景和联网情景温室气体排放量相差不明显,2030年亚洲、欧洲和非洲联网后全球温室气体排放量较自平衡情景明显降低,至2050年全球联网后,联网情景较自平衡情景可累计减少温室气体排放量约173GtCO2eq。

图4 两情景下能源行业温室气体逐年排放量
Fig. 4 The greenhouse gas emissions of the energy industry in two scenarios

根据MAGICC模型,求解得到自平衡情景和联网情景下温室气体排放量所导致的全球温升变化和海平面上升情况如图5和图6所示2 因《巴黎协议》提出的把全球平均气温较工业化前水平升高控制在2℃之内的目标节点是2100年,所以本文根据两情景下碳排放趋势,将碳排放量外延到2100年进行温升和海平面上升的模拟。。自平衡情景下,2100年全球温升高于2 ℃,超过了国际统一认定的2 ℃温控的目标,全球海平面上升约30 cm;联网情景下,全球温升可以控制在2 ℃以内,但会超过1.5 ℃,全球海平面上升约25 cm。

图5 两情景下全球温升变化
Fig. 5 Global temperature rise in two scenarios

图6 两情景下全球海平面上升变化
Fig. 6 Global sea level rise in two scenarios

5 结论

全球联网后,一方面可以充分利用各洲之间的资源互补、负荷互补和风光互补效应,另一方面可以充分利用北极风电资源和赤道太阳能资源,综合加大可再生能源的开发利用,提高非化石能源发电量占比,节约化石能源开发利用,进而实现资源节约和常规污染物减排效益。经测算,2050年全球联网情景下,通过减少煤电和气电发电量,增加非化石能源发电量,可减少化石资源消耗量约301 亿t标煤,减少水资源消耗量约3015 亿t,减少土地价值损失约1624 亿美元,减少SO2、NOx和细颗粒物排放量分别为775 万t、1448 万t、90 万t。

随着全球能源互联网的构建,全球能源结构向清洁化和低碳化转变,化石能源发电量占比明显下降,全球能源互联网将会在应对气候变化方面产生积极影响。经测算,2050年全球联网情景较自平衡情景累计节约温室气体排放量约173GtCO2eq。通过MAGGIC模型对联网情景和自平衡情景下温室气体排放量进行模拟,发现联网情景下可以实现2℃温控的目标,自平衡情景则难以实现该目标。

参考文献

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Assessment of Environmental Benefits under the Background of Global Energy Interconnection

ZHAO Qiu-li,FENG Jun-shu,JIN Yan-ming,WANG Xiao-chen,TAN Xue
(State Grid Energy Research Institute Co., Ltd., Changping District, Beijing 102209, China;State Grid Energy and Power System Planning Research Laboratory, Changping District, Beijing 102209, China)

Abstract: Under the background of global energy interconnection,this paper set up a self-balancing scenario and a networking scenario, established a global energy interconnection environmental benefit assessment index system, and evaluated each indicator quantitatively. The results indicated that the global energy interconnection could not only bring huge resource conservation benefits and conventional pollutant emission reduction benefits, but also ease the global climate change; the goal of 2℃ temperature control could be achieved under the network scenario.

Keywords: global energy interconnection; environmental benefits; climate change


Project Supported by Science and Technology Foundation of SGCC(SGERI01KJ(2015)75) and National Natural Science Foundation of China(71733003)


作者简介:

赵秋莉

赵秋莉(1992),女,硕士,经济师,主要从事能源电力行业技术经济评价等方面研究。E-mail:zhaoqiuli@sgeri.sgcc.com.cn。

冯君淑(1990),女,硕士,工程师,主要从事能源与电力规划等方面研究。

金艳鸣(1977),女,博士,高级工程师,主要研究能源电力行业政策分析、能源环保等。

(责任编辑 张鹏)

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